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1、风力发电场,第3章 风电场设计,3.1 风电场宏观选址 3.2 风电机组选型 3.3 风电场微观选址 3.4 风电场电气系统设计 3.5 风电机组基础设计 3.6 风电场财务评价 3.7 风电场可行性研究 3.8 风电场项目后评估,3.1 风电场宏观选址,3.1.1 风能资源条件 3.1.2 电网接入条件 3.1.3 地质条件 3.1.4 地形条件 3.1.5 地理位置 3.1.6 施工安装条件 3.1.7 交通运输条件 3.1.8 环境影响 3.1.9 其他因素,3.1.1 风能资源条件,1.风能资源丰富 2.风向基本稳定 3.风速的日变化和年变化 4.风电机组高度范围内风垂直切变较小 5.
2、湍流强度较小 6.不利气象条件影响小,1.风能资源丰富,风能质量好主要指以下4个方面：年平均风速较高、年平均风功率密度大、风频率分布好和可利用小时数高。风功率密度蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风场风能资源评估的综合指标。参考风电场风能资源评估方法(GB/T 187102002)，风功率密度等级达到或超过3级的风电场才具有商业开发价值。风功率密度等级见表3-1。,表3-1 风功率密度等级表,1.风能资源丰富,2.风向基本稳定,盛行主风向是指出现频率最多的风向。一般可以按照不同风向和不同风向上的风能分别绘制风向玫瑰图和风能玫瑰图，进而判断盛行主风向。一般来说若某一场址只有一个盛行主风向或有
3、两个盛行主风向且方向几乎相反，则这种风向对风电机组排布非常有利。某些场址虽然风能资源较好，但没有固定的盛行风向，这就给风电机组的排布(尤其是在风电机组数量较多时)带来不便，在这种情况下需要通过对多方面因素的综合考虑来确定最佳排布方案。在山区地区，盛行主风向与山脊走向垂直时最为理想。,3.风速的日变化和年变化,用各月的风速(或风功率密度)日变化曲线和全年的风速(或风功率密度)日变化曲线与当地同期的电网日负荷曲线对比，用风速(或风功率密度)年变化曲线与当地同期的电网年负荷曲线对比，两者一致或接近的部分越多越好，表明风电场发电量与当地负荷相匹配，风电场输出的电能可满足负荷变化需要。另外，好的风电场选
4、址应尽量避免有较大的风速日变化和季节变化，以降低对电网的冲击。,4.风电机组高度范围内风垂直切变较小,风电机组选址时要考虑因地面粗糙度引起的不同风廓线，当风垂直切变非常大时，对风电机组运行十分不利。,5.湍流强度较小,湍流强度在0.10或以下表示湍流相对较小，中等程度湍流值为0.100.25，当湍流强度超过0.25时，建设风电场就要特别慎重。为了减小湍流的影响，在选址时要尽量使风电机组避开粗糙的地表面或高大的建筑物。若条件允许，风电机组的轮毂高度应高出附近障碍物至少810m，距障碍物的距离应为510倍障碍物高度。,6.不利气象条件影响小,风电场尽可能选在不利气象和环境条件影响小的地方，尽量避免
5、强风暴、雷电、沙暴、覆冰、盐雾等对风电机组的影响。如因自然条件限制，不得不选在气象和环境条件不利的地点建设风电场时，要十分重视不利气象和环境条件对风电场正常运行可能产生的危害。,3.1.2 电网接入条件,表3-2 各级电压线路的一般输送容量和输电距离,并网风电场场址应尽量靠近电网，从而减少线损和送出成本。对小型的风电项目而言，要求离1035kV电网比较近；对大型的风电项目而言，要求离110220kV电网比较近。各级电压线路的一般输送容量和输电距离见表3-2。,3.1.3 地质条件,风电场选址时要考虑所选定场地的地质情况，如是否适合深度挖掘(塌方、出水等)、房屋建设施工、风电机组施工等。要有能详
6、细反映该地区水文地质条件的资料并依照工程建设标准进行评定。 风电机组基础位置持力层的岩层或土层应厚度较大、变化较小、土质均匀、承载力能满足风电机组基础的要求。最好是承载力强的基岩、密实的土壤或黏土等，并要求地下水位低，地震烈度小。,3.1.4 地形条件,地形因素要考虑风电场场址区域的复杂程度。如场址地形单一，则对风的干扰低，风电机组无干扰地运行在最佳状态；反之如地形复杂多变，产生扰流现象严重，对风电机组的安全运行及出力不利。 风电场最好在平坦地形建设，即在46km半径范围内，场址周围地形的高度差小于50m；并且地形高长比小于0.03(即3%坡度)。另外还要考虑建筑物和防护林带等地面障碍物对其附
7、近气流的扰动作用。,3.1.5 地理位置,风电场场址应尽量远离强地震带、火山频繁爆发区，以及具有考古意义及特殊使用价值的地区。还应尽量避免洪水、潮水、地震和其他地质灾害等对工程造成破坏性影响。 不同地区温度、气压、湿度和海拔高度等的不同会引起当地空气密度的变化，而空气密度与风功率密度之间呈线性关系，故空气密度的变化将直接影响风电场的发电量。通常情况下空气密度与大气压成正比，与平均气温和海拔高度成反比。我国幅员辽阔，不同地区的空气密度差异很大，这一点在选址时应予以考虑。,3.1.6 施工安装条件,首先应收集候选场址周围地形图，分析地形情况。复杂地形，不利于设备的运输、安装和管理，装机规模也受到限
8、制，难以实现规模开发，场内交通道路投资相对也大，所以应尽量避免选择地形过于复杂的场址。,3.1.7 交通运输条件,由于风能资源丰富的地区一般都在比较偏远的区域，如山脊、戈壁滩、草原、海滩和海岛等，大多数场址需要拓宽现有道路并新修部分道路以满足风电设备的运输。 在风电场选址时，应了解候选风场周围的交通运输情况，对风能资源相似的场址，尽量选择那些离已有公路较近、对外交通方便的场址，以利于减少道路的投资。,3.1.8 环境影响,风电场选址时应注意与附近居民、工厂等保持适当距离，尽量减小噪声影响。风电场应远离人口密集区，有关规范规定风电机组离居民区的最小距离应使居民区的噪声小于45dB(A)，该噪声可
9、被人们所接受。风电机组离居民区和道路的安全距离从噪声影响和安全考虑，单台风电机组应远离居住区至少200m，而对大型风电场来说，这个最小距离应增至500m。 此外，风电场选址时应避开自然保护区、珍稀动植物地区以及候鸟保护区和候鸟迁徙路径等。场址内树木应尽量少，以减少建设和施工过程中的树木砍伐。,3.1.9 其他因素,风电场选址时应考虑场址是否已作其他规划，或是否与规划中的其他项目有冲突，风电场所在地区的经济发展水平能否承受风电上网电价等。另外还应收集候选场址处有关基本农田、压覆矿产、军事设施、文物保护、风景名胜以及其他社会经济等方面的资料，选址时注意避开。,3.2 风电机组选型,3.2.1 风电
10、机组概述 3.2.2 风电机组选型基本原则,3.2.1 风电机组概述,1.基本形式 2.总体布置形式 3.主要系统介绍,根据运行方式不同，风电机组可分为离网型风电机组和并网型风电机组两类。 并网型风电机组一般有水平轴和垂直轴两种基本型式，如图3-1、图3-2所示。与水平轴型式相比，垂直轴型式的优点在于其传动系统和发电机安装在地面，维护方便，而且不需要偏航系统，可以节约成本。但垂直轴型式的机组起动风速较高，风能利用系数较低，同时还存在较为复杂的机械振动问题和气动弹性问题。目前国内外商业化运行的风电机组多为水平轴型式。,1.基本形式,1.基本形式,图3-1 水平轴风电机组,1.基本形式,图3-2
11、垂直轴风电机组,1.基本形式,图3-3 低速型风机(来源：红鹰机组),水平轴风电机组按风轮转速的不同可分为低速型和高速型。,图3-4 高速型风机(来源：金风机组),1.基本形式,在水平轴风电机组中，按控制方式的不同可分为失速型风电机组、主动失速型风电机组和变桨变速型风电机组。目前变桨变速型风电机组已逐步替代了失速型风电机组，成为市场上的主流机型。 失速型风电机组又称定桨距风电机组，其风轮叶片直接与轮毂连接，桨距角固定不变。 主动失速型风电机组是定桨距型与变桨距型两种风电机组的结合。 变桨变速型风电机组按不同传动方式可分为双馈型、直驱型和半直驱型风电机组。目前的主流机型是双馈型风电机组，其次是直
12、驱型风电机组，半直驱型风电机组尚未进入商业化阶段。,2.总体布置形式,风电机组总体布置指机组中各分系统的布置方案和他们之间的相对位置。一般情况下机组传动系统的位置确定后，机舱布置方案就可以基本确定。 双馈型风力发电机组在进行传动系统布置时主要考虑主轴支撑方式以及主轴与齿轮箱的相对位置，主要包括单点支撑形式、双点支撑形式、三点支撑形式和内置主轴形式等几种布置形式。 直驱型风电机组的传动系统通常有两种布置方式。一种是风轮直接与发电机转子法兰盘相连，另一种是风轮通过主轴与发电机转子相连。,2.总体布置形式,图3-5 风电机组布置图,3.主要系统介绍,(1)风轮系统。 (2)传动系统。 (3)发电机系
13、统。 (4)偏航系统。 (5)液压和制动系统。 (6)控制和安全系统。 (7)塔架和基础。,(1)风轮系统。,风轮系统包括叶片、轮毂和变桨距系统(仅对变桨变速型机组)。叶片是风电机组中最重要的部件，叶片外形的气动性能直接决定着机组能否获得所希望的功率特性。 叶片通常采用玻璃纤维增强复合材料和碳纤维增强复合材料制作，复合材料中的基体材料一般为聚酯树脂或环氧树脂。叶片主要由壳体、主梁和连接结构组成，定桨距风轮叶片一般在叶片尖部还设有空气动力制动器，作为安全保护系统。 轮毂的作用是将叶片连接起来组成风轮，其中安装了固定叶尖制动或变距系统等装置。,(2)传动系统。,传动系统是指从轮毂到发电机之间的主传
14、动链，其中包括主轴及其轴承座、齿轮箱和联轴器等。 主轴是风轮的转轴，它支撑着风轮并将风轮的转矩传递给齿轮箱，将推力、弯矩传递给底座。由于其受力复杂，通常选用42CrMnTi及40CrNi2MoA材料制造。 齿轮箱位于风轮和发电机之间用于传递动力提高转速，它是一种在无规律交变载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮传动装置。 联轴器有刚性联轴器和柔性联轴器两种。刚性联轴器用在对中性好的二轴连接，通常在风电机组中主轴与齿轴箱低速轴连接处选用。柔性联轴器允许二轴有一定相对位移，发电机与齿轮箱高速轴连接处多采用这种联轴器。,(3)发电机系统。,风电机组所采用的发电机一般有异步发电机和同步发电机两种。
15、异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。 同步发电机一般有两种并网方式：一种是准同期直接并网，另一种是交-直-交并网，前一种方法在大型风电机组中极少采用。,(4)偏航系统。,偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向始终保持垂直。风向标是偏航系统的传感器，将风向信号发给控制器，与风轮的方位进行比较后，发出指令给偏航电动机或液压马达，驱动小齿轮沿着与塔架顶部固定的大齿轮移动，经过偏航轴承使机舱转动，直到风轮对准风向后停止。偏航轴承分为滑动型和滚动型，有的具备自锁功能，有的设置强制制动，但都应设置阻尼满足机舱转动时平稳不发生振动的
16、要求。,(5)液压和制动系统。,液压系统主要为油缸和制动器提供必要的驱动压力，有的强制润滑型齿轮箱还需液压系统供油。油缸主要是用于驱动定桨距风轮的叶尖制动装置或变桨距风轮的变桨机构。液压站由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。 制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两种，有的风电机组只有机械制动。,(6)控制和安全系统。,控制系统包括控制和监测两部分，控制部分又分为手动和自动。手动控制是指运行维护人员在现场根据需要进行的操作，自动控制是指在无人值守的条件下实施的控制策略。监测部分指将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来。,(7)塔架和基础。,塔架和基础是风电机组的主要承载部件。随着风电机组容量的增加，塔架高度有时甚至达到100m以上，重量占风电机组总重量的1/2左右，其重要性随着风电机组容量的增加而增加。 塔架主要有桁架型和截锥型(俗称“塔筒”)。桁架型塔架制造简单、成本低、运输方便，但没有截锥型美观，机组维护时上下也不够安全。截锥型塔架在风电机组中广泛应用，其优点是美观大方，机组维护时上下安全。,3.2.2 风电
